《自然·物理學(xué)》重磅：破解雜質(zhì)困擾，斯坦福為量子自旋液體正名

量子自旋液體 (Quantum Spin Liquid, QSL) 的發(fā)現(xiàn)一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域夢(mèng)寐以求的“圣杯”。這一概念最早由菲利普·安德森（Philip Anderson）于 1973 年提出，描述的是一種即使在絕對(duì)零度下，自旋也不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)磁性有序排列，而是處于恒定的量子漲落之中的物質(zhì)狀態(tài)。在所有可能承載這種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中，S=1/2 籠目晶格——一種由頂點(diǎn)連接的三角形組成的網(wǎng)絡(luò)——因其極端的幾何受挫被認(rèn)為是最理想的平臺(tái)。

然而，該領(lǐng)域長(zhǎng)期受到“雜質(zhì)問題”的困擾。2025 年，斯坦福大學(xué)的 Aaron T. Breidenbach 和Young S. Lee 團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《自然物理學(xué)》題為 《Identifying universal spin excitations in candidate spin-1/2 kagome quantum spin liquid materials》 的論文取得了決定性突破。通過對(duì)比兩種不同的籠目材料，他們成功地將 QSL 物理的“普適”信號(hào)從材料特定的缺陷“噪音”中分離了出來。

1. 雜質(zhì)困境：赫伯特尖晶石 vs. 鋅巴洛石

十多年來，赫伯特尖晶石 (Herbertsmithite) (ZnCu?(OH)?Cl?) 一直是 QSL 研究中無可爭(zhēng)議的明星。實(shí)驗(yàn)人員觀察到了連續(xù)的激發(fā)譜——這是自旋子（分?jǐn)?shù)化準(zhǔn)粒子）存在的標(biāo)志。然而，質(zhì)疑聲從未停止：赫伯特尖晶石存在嚴(yán)重的“位置無序”缺陷，即鋅原子和銅原子會(huì)互換位置。批評(píng)者認(rèn)為，觀察到的連續(xù)譜可能只是這些隨機(jī)雜質(zhì)造成的結(jié)果，而非本質(zhì)的 QSL 態(tài)。

為了解決這一爭(zhēng)端，Breidenbach 團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向研究其“親戚”材料：鋅巴洛石 (Zn-barlowite) (ZnxCu4-x(OD)?FBr)。雖然鋅巴洛石在結(jié)構(gòu)上與赫伯特尖晶石相似，但其雜質(zhì)的局部環(huán)境完全不同。研究團(tuán)隊(duì)的邏輯非常簡(jiǎn)潔且優(yōu)雅：如果自旋激發(fā)確實(shí)是籠目晶格本質(zhì)固有的，那么盡管兩種材料的雜質(zhì)分布不同，它們的激發(fā)特征應(yīng)該表現(xiàn)一致。

2. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：普適連續(xù)譜

研究團(tuán)隊(duì)利用橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源（SNS）的高分辨率非彈性中子散射 (INS) 技術(shù)，繪制了鋅巴洛石的磁激發(fā)圖譜，并將其與赫伯特尖晶石進(jìn)行了直接對(duì)比。

“高能”指紋

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)能量轉(zhuǎn)移高于約1meV時(shí)，兩種材料的散射圖譜幾乎完全一致。它們都展現(xiàn)出了寬廣的連續(xù)譜激發(fā)，這與傳統(tǒng)磁體中尖銳的“自旋波”模式截然不同。

意義：由于這種高能特征在不同的化學(xué)環(huán)境下保持不變，它必然是普適的。這提供了迄今為止最強(qiáng)有力的證據(jù)，證明這些激發(fā)確實(shí)是量子自旋液體的分?jǐn)?shù)化自旋子。

“低能”分歧

至關(guān)重要的是，研究人員觀察到在低能量區(qū)域（低于1meV），兩種材料的散射模式出現(xiàn)了顯著差異。

意義：這種差異證實(shí)了低能信號(hào)確實(shí)是由雜質(zhì)引起的（因?yàn)槊糠N晶體的雜質(zhì)環(huán)境不同），而高能信號(hào)則屬于籠目平面本身。這種“雙區(qū)域”觀察法讓物理學(xué)家終于能夠去偽存真，識(shí)別出本質(zhì)物理。

3. 基態(tài)性質(zhì)：有能隙 vs. 無能隙

QSL 理論中爭(zhēng)議最激烈的問題之一是基態(tài)是“無能隙”的（允許極低能量的激發(fā)）還是“有能隙”的（需要一個(gè)最小能量“跨度”才能激發(fā)系統(tǒng)）。

這篇論文為自旋能隙提供了令人信服的證據(jù)，測(cè)量值約為Δ≈1.1(2) meV（約占交換耦合 J的1/15）。

• 通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與密度矩陣重整化群 (DMRG) 計(jì)算進(jìn)行擬合，研究者證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有能隙的Z?自旋液體模型高度吻合。
• 這一發(fā)現(xiàn)表明籠目 QSL 具有特定的拓?fù)湫?，這是實(shí)現(xiàn)某些形式的量子計(jì)算的前提條件。

4. 對(duì)量子技術(shù)的深遠(yuǎn)影響

識(shí)別普適自旋激發(fā)不僅是基礎(chǔ)物理學(xué)的勝利，對(duì)拓?fù)淞孔佑?jì)算的未來也有著實(shí)際意義。

有能隙 QSL 中的激發(fā)不僅僅是“隨機(jī)波動(dòng)”，它們通常是任意子 ——這些準(zhǔn)粒子能夠“記住”彼此環(huán)繞的路徑。由于這些狀態(tài)受晶格拓?fù)湫再|(zhì)的“保護(hù)”，理論上它們可以免疫導(dǎo)致當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)出錯(cuò)的局部噪聲和退相干。通過證明鋅巴洛石中存在這些激發(fā)，該研究確立了“巴洛石家族”作為開發(fā)強(qiáng)健拓?fù)淞孔颖忍氐暮戏ㄆ脚_(tái)。

結(jié)論

Breidenbach、Lee 及其合作者的工作標(biāo)志著受挫磁學(xué)研究的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過識(shí)別出超越特定材料缺陷的普適激發(fā)，他們將學(xué)術(shù)界的討論從“量子自旋液體是否存在？”推進(jìn)到了“它究竟屬于哪種特定的拓?fù)湫颍俊薄?/p>

這項(xiàng)研究將鋅巴洛石從一個(gè)單純的候選材料提升到了基準(zhǔn)材料的高度。它提供了一份清晰的實(shí)驗(yàn)路線圖：通過尋找這種普適的高能連續(xù)譜，物理學(xué)家現(xiàn)在可以在更廣泛的新材料中識(shí)別 QSL 行為，從而開啟拓?fù)浔Ｗo(hù)量子物質(zhì)的新時(shí)代。